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如何实现最大化供电?聚焦最高供电能力240瓦的USB供电参考设计方案

USB供电规范(PD)在不息进展。比来的USB供电标准3.2支撑高达240瓦(48V,5A)的拉电流和灌电流功率。本文将接头USB供电的首要趋向,索求为安在2024年实行USB-C再也不视为一种立异,而只是一种接纳新设想坚持竞争力的精良计划。最初,本文将概述支撑240瓦的拉电流和灌电流计划,这类计划采用了英飞凌的低级侧和次级侧控制器、EZ-PD™ PMG1低压微控制器、集成USB-C供电和英飞凌CoolGaN™ 功率晶体管。

今朝,USB是一组公认的消费品和汽车使用规范,并倏地扩展到工业和电动车部分。1996年降生的USB 1.0是第一个USB民间版本,支撑最大1.5Mbps的数据传输,最高2.5瓦供电,当初USB曾经发展到使人难以相信的程度,可通过单根USB-C线缆支撑80Gbps的数据传输和240瓦供电。纵然云云,比来的一次会展上,艾睿电子的展台前仍是有跨越对折的参观者懂得到USB规范曾经支撑240瓦后,显得异常诧异。

让我们深刻懂得USB Type-C规范接口的细致情形。这类接口的最大上风是其对称设想,是以能够不思量拔出偏向——两面拔出都可以。这类接口支撑高达240瓦供电,兼容HDMI、DisplayPort、雷电和谈,还可经由过程备用模式(Alt Mode)支撑其余和谈。这些特色对工业发生伟大的影响。

若何完成最大化供电?聚焦最高供电才能240瓦的USB供电参考设想计划

图1

视察图1的公头引脚,CC1和CC2脚——也称为线缆设置引脚——用于操纵偏向并肯定其感化:上行端口(DFP)用于拉电流,下行端口(UFP)用于灌电流,双端口(DRP)同时用于拉电流和灌电流。CC引脚的另一个性能是在商议拉电流和灌电流之间的供电连贯时,加速数据传输。

注重有4对差分对,标记为RX/TX,用于USB 5Gbps或更高的传输速率,启用USB 3.1时将接纳这几个引脚。以上引线在全双工模式下运转,而2对传统引脚D+/D-位于中央,在半双工模式下运转。标记为SBU(边带应用)的引脚用于备用模式(Alt Modes),比方DisplayPort或Thunderbolt下的视频输入。VBUS引脚用于供应高达240瓦的供电。全数4个内部接地引脚(GND)用于接地。USB-C接口在高传输速度和高功率供电下,必需精确接地。

深刻探究USB供电规范的话,如前所述,第一版的USB规范只允许VBUS供应2.5瓦的最大功率(5V,500mA)。到了USB 3.0,功率略有增添,达到4.5瓦(5V,900mA),但依旧餍足不了许多使用情形。

若何完成最大化供电?聚焦最高供电才能240瓦的USB供电参考设想计划

图2:USB供电3.2扩大功率局限

2014年推出USB Type-C及供电规范后,USB的供电才能显著增添。默许情形,经由过程USB Type-C供电,最大功率增加到15瓦(5V,3A)。完整实行USB供电标准后,单个USB电源可提供高达100瓦(20V,5A)的供电。

从USB供电3.1开端,标准同意的最大功率达到240瓦(48V,5A)。当初,跨越20V的所有电压分类到扩大功率局限(EPR)。这一标准还包孕可调电压供电(AVS)模式,同意15V以上的电压按100mV步长举行调压。

USB差不多是有30年汗青的旧规范,但就在比来,其传输速率和供电才能有了大幅进步。已往8年来,USB-C失掉支流设置装备摆设制造商的接纳,如笔记本电脑和智能手机厂商。

当初,大部分笔记本电脑至多带有1个USB-C端口。此外,许多其余挪移设置装备摆设也转换到USB-C端口,市场上的USB-C电源适配器也显然增添。同时,汽车制造商也在车辆上增加了更多的USB-C端口,为司机和搭客供应微弱的充电性能。根据这一趋向,将来几年,内置USB-C和USB-C的家当使用将显著增添。

预计2025年及当前,许多今朝功率最高为240瓦的电子设置装备摆设,将接纳USB-C作为数据通讯和充电的规范端口。

若何完成最大化供电?聚焦最高供电才能240瓦的USB供电参考设想计划

图3:首要市场趋向——许多电子设置装备摆设将接纳USB-C作为数据通讯、和高达240瓦的充电端口

推行USB使用的首要要素有电池手艺比赛、工业使用转型、以及USB日趋失掉环球局限的接收。当地法例也发生首要影响:到2024年末,所有欧盟国度内的许多设置装备摆设将逼迫请求接纳USB Type-C和USB供电。美国和其余国度也正在举行近似的接头。

在这些趋向下,接纳USB供电不但仅是与尖端手艺同步,仍是确保市场位置的首要合作上风。然则,该规范之所以在近几年失掉倏地使用,其主要上风究竟是什么?

推进USB-C倏地增进的首要缘故原由之一,是其可以或许经由过程一个小讨论传输高速数据、视频和供电。这个性能便于设想出更小、更薄的设置装备摆设。

传统的电源适配器供应的电源和电流流动,并且平日接纳怪异的圆柱形讨论,这意味着它们只能用于对应的设置装备摆设。这种适配器平日不克不及兼容其余设置装备摆设。

相同,USB-C电源适配器可广泛兼容,其USB Type-C讨论可接入各类设置装备摆设。此外,接纳240瓦USB电源适配器,能够调解电压和电流,只需功率不跨越240瓦(48V,5A)。是以可以对功率在240瓦如下的USB设置装备摆设充电,包孕5V或15V设置装备摆设,45瓦手机和160瓦笔记本电脑。即使是将来的设置装备摆设,如电动对象、电动单车花费级3D打印机大概应用沟通的适配器充电。只需要一个USB电源适配器就能给许多设置装备摆设充电,这为消费者节省了用度。

定制化电源,无论内置仍是接纳定制讨论平日都需要在设想创造、测试方环节举行额定投资,尤其是产物数目不是很大时间。

定制计划除了本钱更高(无论外置仍是内置设想平日研发时候和测试时候也更长。大多数使用案例接纳简略的USB灌电流计划和认证USB充电器能够完成倏地上市。

当供电或集成交换/直流电源模块来自一家OEM厂商发生另一个题目这类情形,项目将来高度依赖于第三方出产规划然则,一旦实行USB灌电流性能花费市场中功率沟通的认证USB适配器都可以应用,从而减少了繁多OEM供应商依附。

粗一看大概不明显然则充电器对立以后,可显著改良环境维护尽管单个充电器很小,但考虑到每一年放弃上百万个充电器,对环境的影响非常大。

除了上述USB驱动要素上风首要特点是在2024年引入24针的USB Type-C接口(图1)。

在行业的最新趋向下,艾睿电子和英飞凌推出了新的240瓦供电3.1灌电流参考设想,它采用了英飞凌EZ-PD™ PMG1-S3低压微控制器,旨在支撑高功率的USB设置装备摆设。这个新的参考设想支撑高达48V@5A的供电工具(PDO)灌电流模式,代表了USB供电规范所能达到的最高程度。

本参考设想扩大了英飞凌EZ-PD™ PMG1低压微控制器系列的现有灌电流功率,从140瓦增加到240瓦,这对需求大功率倏地充电设置装备摆设来讲异常首要。

图4:REF_ARIF240WS3灌电流参考设想电路板

上图为240瓦灌电流参考设想电路板REF_ARIF240WS3增补比来宣布的英飞凌USB PD 3.1拉电流评测电路板REF_XDPS2222_240W1二者组合后,工程师可第一时候推出残缺的240瓦USB供电3.1灌电流-拉电流解决计划。

英飞凌REF_XDPS2222_240W1是与灌电流对应的240瓦拉电流设想,它基于CoolGaN手艺,是一种高效的小型化USB供电3.1参考设想,功率密度25瓦/立方英寸接纳XDP™ 数字电源XDPS2222 PFC+混杂反激(HFB)式复合集成电路(combo IC)(图5)。

图5:REF_XDPS2222_240W1拉电流参考设想电路板

PFC和HFB之间外部交握和自适应总线电压配置,使得XDP™ XDPS2222控制器圆满适用于交流电宽幅输出、及超宽幅输入电压设置装备摆设,如USB供电扩大功率局限(EPR)适配器和电源充电器首要性能包孕,HFB ZVS运转倏地反映HFB峰值电流操纵谐和PFC和HFB运转,轻载跳脉冲主动PFC启用/禁用操纵,以及调理PFC总线电压程度。

上述参考设想旨在普遍支撑各类设置装备摆设,如轻型电动交通对象(电动单车、电动摩托车小我私家电动交通设置装备摆设)、无人机挪移机器人、3D打印机业余影音设置装备摆设、电动对象、医疗设置装备摆设、家用电器、家庭文娱设置装备摆设等。

两款参考设想供应定制办事手艺支撑外,艾睿电子供应一系列手艺支撑办事包孕原理图定制及PCB修正赞助客户最大水平发扬设想后劲收缩产物上市时候。

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